挖掘機液壓系統分析與節能控制研究

胡一明

摘 要：挖掘機的工作環境一般都是變化多端的，在施工作業中經常要完成許多高難度動作，因此其液壓系統設計的合理性就顯得尤為重要了。同樣，挖掘機消耗的資源，在施工過程中產生的粉塵、噪音以及排放的污染物對我們的環境也產生了重大的影響。

關鍵詞：挖掘機；液壓系統；節能控制

挖掘機是一種能夠被運用于多種施工作業的工程機械，當前在交通運輸行業、建筑工程行業以及礦山開采等行業的運用比重越來越大。它能夠代替人工在一些氣候惡劣、地理環境復雜的地方進行高強度的機械化施工作業，這就使得挖掘機相對于人工勞動來說具有極高的工作效率。不同類型的挖掘機能夠適用于不同類型的作業工況，基于這幾方面的優點，挖掘機被越來越多的施工單位廣泛的采用。

一、挖掘機液壓系統的組成及類型

（一）挖掘機液壓系統的組成

挖掘機的液壓系統是由具備不同功能的基本回路以及輔助回路經過合理的設計而組成的，其液壓回路包含起先導控制作用的先導回路和執行動作的主液壓回路。其中主液壓回路是由液壓泵、動作執行裝置和換向閥三大主要部分構成（如圖1所示），在主液壓回路中，流過液壓作用元件流量的變化是由多路閥開口面積的大小控制的，而多路閥的開口面積是由先導閥所輸出的壓力的大小能來調節的。因此。只有通過兩種回路的相互配合，才能使液壓系統在執行動作時達到預期的效果。

挖掘機在施工作業時的動作復雜，其工作裝置的啟動和制動次數相當頻繁，負載在短時間內變化幅度較大，作業過程中所產生的振動和沖擊很大，因為通常是在戶外進行作業，作業環境的地理位置和溫度經常要發生改變。針對挖掘實際工況特點，要求其液壓系統可靠性和傳動效率要高，施工作業過程中操作性要好。

（二）挖掘機液壓系統的基本類型

1、定量系統。定量系統就是指油泵的流量輸出為恒定值的液壓系統。該系統具有外部結構簡單、工作可靠性極高、連續工作時間長等優勢。如果系統壓力和流量增大，定量系統的功率輸出也對應的增大。當發動機轉速和液壓油流量恒定時，系統的功率利用率隨著增大的工作負載而提高。在該系統中，油泵能夠輸出的流量大小是一定的，并不會因為載荷變化而發生改變，主要是依靠節流回路對執行元件運動的快慢進行調節。油泵和液壓回路數量的不同構成了各種不同形式的定量系統，常見的有單泵單回路、雙泵雙回路等。除特殊情況之外，目前設計和生產的挖掘機液壓系統大多以雙泵進行供油為主，以滿足其在負載及作業方面的要求。

2、變量系統。通常在定量系統中，為了能夠滿足現場作業的要求，發動機輸出功率是按照工作的最大載荷和作業速度的大小來確定的，這樣使發動機足量的輸出功率勢必有一部分會用不完而造成系統能量損失。變量系統能將發動機輸出的功率完全利用，它能夠使油泵的流量隨著載荷變化而改變。在變量泵控系統中，發動機速度的調節大多是由容積變量來完成的，它的調速方式是通過油泵和馬達進行定量或變量的組合來完成。

二、挖掘機液壓系統的節能控制策略

國內多數生產廠為了提高液壓挖掘機的性能，采取以下兩個策略：與國外合資，較著名的有煙臺大宇、合肥日立、徐州卡特等；引進國外先進的液壓元件、液壓系統及電控節能控制系統來提高國產挖掘機品質。下面就目前所查閱的國內文獻期刊中較有代表性的控制方法進行分析總結。

第一，運用全制式調速器和調速曲線共同進行作用的控制方法，是一種較傳統的控制方式，當外負荷增加使轉速略有下降時，調速器可使供油量調節拉桿向加油方向移動，阻止轉速下降。當負荷增加到使調速器不起作用，即使供油量已增加到最大值，轉速已明顯下降時，柴油機沿著外特性曲線工作。

第二，工況的變化會引起負載壓力、起調壓力以及泵出口壓力的變化，來調節泵的排量或者控制發動機的調速拉桿使泵的吸收功率和柴油機的輸出功率盡可能匹配。

第三，利用閥門和油門的聯合控制來控制轉速，使其一直工作在最佳工作點是一種較流行的控制策略。在外負載較小時，系統通過調節發動油門來適應負載的需求。而當外負載很大時，一方面增加發動機的功率輸出，另一方面則應適當調節變量泵的排量來降低其功率吸收，從而避免出現發動機過載熄火現象，使發動機在整個轉速范圍內都能適應負荷變化，保持最佳的功率利用率及良好的動力性和經濟性。

第四，將柴油機、變量泵、負載作為一個系統，分析該系統各環節的匹配原理和方法，實現柴油機、變量泵、負載三者的一致匹配。以泵出油口壓力為依據，實現動力系統與工況的自適應控制；以轉速傳感控制方式實現發動機與泵的功率匹配；以變量泵出口流量為依據，由微機控制調節多路閥閥口開度，實現負載、變量泵的功率匹配。

三、結語

因為挖掘機的工作環境通常比較惡劣，而且其作業的對象也經常發生變化，這就導致了挖掘機液壓系統的能量損失形式的多樣性。這使得挖掘機的液壓系統的研究更有必要性。由于液壓挖掘機的基本工作原理已經成熟，目前不會有大的突破，今后挖掘機的研究與發展方向是對動力裝置、液壓系統及其元件在節能和功能上的進一步完善以及微機控制技術的深層次應用。

參考文獻：

魏洪旭.挖掘機液壓系統節能匹配研究[D].長安大學，2014.endprint